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2017, Edgard Jamhour
6LOWPAN E
PROTOCOLOS PARA
IOT
EDGARD JAMHOUR
IEEE 802.15.4
Tecnologia de Radio “Low Power”
Baixo Consumo
Pequeno Alcance
Baixas Taxas de Transmissão
Pequeno MTU (Maximum Transmission Unit)
CARACTERÍSTICAS DA
TECNOLOGIA 802.15.4
Taxas de Transmissão:
• 250 Kb/s, 40 Kb/s e 20 Kb/s
Topologias:
• Estrela ou Ponto-a-Ponto
Frequências de Operação:
• 16 canais em 2.4 GHz (ISM)
• 10 canais em 915 MHz (ISM)
• 1 canal em 868 MHz (Europeu)
868MHz / 915MHz
PHY
2.4 GHz
868.3 MHz
Channel 0 Channels 1-10
Channels 11-26
2.4835 GHz
928 MHz 902 MHz
5 MHz
2 MHz
2.4 GHz
PHY
Joe Dvorak, Motorola
BANDAS DE OPERAÇÃO E DIVISÃO EM
CANAIS (VERSÃO 2006)
Edgard Jamhour
PILHA IEEE 802.15.4
05 2004
Marco Naeve, Eaton Corp. Sli
de
5
IEEE 802.15.4 MAC
Upper Layers
IEEE 802.15.4 SSCS IEEE 802.2
LLC, Type I
IEEE 802.15.4
2400 MHz
PHY
IEEE 802.15.4
868/915 MHz
PHY
Preamble Start of
Packet
Delimiter
PHY
Header
PHY Service
Data Unit (PSDU)
PHY Packet Fields • Preamble (32 bits) – sincronização
• Start of Packet Delimiter (8 bits)
• PHY Header (8 bits) – PSDU length
• PSDU (0 to 1016 bits) – Data field
6 Octets 0-127 Octets
Joe Dvorak, Motorola
IEEE 802.15.4 PHY OVERVIEW PACKET STRUCTURE
TIPOS DE DISPOSITIVOS
FULL Function Device (FFD)
• Qualquer topologia
• Pode ser coordenador de PAN
• Conversa com qualquer outro dispositivo
• Implementa toda a pilha do protocolo
Reduced Function Device (RFD)
• Opera em topologias estrela ou como “folhas” (end-devices)
• Não podem ser coordenadores PAN
• Implementação simples
• Implementação simplificada da pilha de protocolos
Marco Naeve, Eaton Corp. Sli
de
8
STAR TOPOLOGY
FFD
RFD Communications flow
Master/slave
PAN
coordinator
Todos os nós se
comunicam com
um controlador
PAN central
Controlador PAN é
um nó com uma
fonte de energia
confiável
Marco Naeve, Eaton Corp.
PEER-PEER TOPOLOGY
Communications flow
Point to point
Cluster tree
FFD
RFD
PAN
coordinators
Nós podem se comunicar
através do controlador
Central e através de nós
FFD
Edgard Jamhour
CLUSTER TREE
Marco Naeve, Eaton Corp. Slid
e 1
1
COMBINED TOPOLOGY
FFD
RFD
Communications flow
Clustered stars – múltiplas redes em
topologia estrela
controladas por diferentes
controladores e conectadas entre si
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp. S
lid
e
12
ESTRUTURA DE SUPERFRAME
OPCIONAL
15ms * 2n
where 0 n 14
GTS 3 GTS 2
Network
beacon Transmitido pelo coordenador PAN
Beacon
extension
period Espaço reservado para crescimento do Beacon
Contention
period Acesso livre por CSMA-CA
Guaranteed
Time Slot Acesso de nós que precisam de garantia de banda [n = 0].
GTS 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Slot
Battery life extension
Contention Access Period Contention Free Period
Marco Naeve, Eaton Corp. Sli
de
13
OPTIONAL FRAME
STRUCTURE
Superframe pode ter um periodo de inatividade
15ms * 2BO
where SO BO 14
15ms * 2SO
where 0 SO 14
SO = Superframe order
BO = Beacon order
Inactive Period
Edgard Jamhour
Payload
PH
Y L
ayer
MA
C
Layer
MAC Header
(MHR)
MAC Footer
(MFR)
MAC Protocol Data Unit (MPDU)
MAC Service Data Unit
(MSDU)
PHY Header
(PHR)
Synch. Header
(SHR)PHY Service Data Unit (PSDU)
4 TIPOS DE QUADROS MAC
• Data Frame
• Beacon Frame
• Acknowledgment Frame
• MAC Command Frame
Joe Dvorak, Motorola
IEEE 802.15.4 MAC OVERVIEW ESTRUTURA GERAL DOS QUADROS
05 2004 Marco Naeve, Eaton Corp. S
lid
e
15
FORMATO GERAL DOS
QUADROS MAC
Octets:2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 variable 2
Destination
PAN
identifier
Destination
address
Source
PAN
identifier
Source
address
MAC
payloadMAC footer
Frame
check
sequence
MAC header
Addressing fields
Frame
control
Sequence
number
Frame
payload
Bits: 0-2 3 4 5 6 7-9 10-11 12-13 14-15
Frame typeSequrity
enabled
Frame
pendingAck. Req. Intra PAN Reserved
Dest.
addressing
mode
Reserved
Source
addressing
mode
Frame control field
05 2004 Marco Naeve, Eaton Corp. S
lid
e 1
6
QUADRO DO TIPO BEACON
Bits: 0-3 4-7 8-11 12 13 14 15
Beacon
order
Superframe
order
Final CAP
slot
Battery life
extensionReserved
PAN
coordinator
Association
permit
Octets:2 1 4 or 10 2 variable variable variable 2
MAC
footer
Frame
check
sequence
MAC header
Source address
information
MAC payload
Superframe
specification
GTS
fields
Pending
address
fields
Frame
control
Beacon
sequence
number
Beacon payload
QUADROS DE COMANDO
Tipos de Comando:
Marco Naeve, Eaton Corp.
Octets:2 1 4 to 20 1 variable 2
MAC
footer
Frame
check
sequence
Frame
control
Data
sequence
number
Address
information
MAC header MAC payload
Command
typeCommand payload
• Association request
• Association response
• Disassociation notification
• Data request
• PAN ID conflict notification
• Orphan Notification
• Beacon request
• Coordinator realignment
• GTS request
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp.
QUADROS DE DADOS E ACK
QUADROS ACK
Octets:2 1 2
MAC
footer
Frame
check
sequence
MAC header
Frame
control
Data
sequence
number
Octets:2 1 4 to 20 variable 2
MAC PayloadMAC
footer
Data payload
Frame
check
sequence
MAC header
Frame
control
Data
sequence
number
Address
information
TIPOS DE COMUNICAÇÃO
• Com ou Sem confirmação (ACK)
• Direto ou Indireto
• Com ou sem garantia (GTS em modo beacon)
• Maximum data length (MSDU)
• aMaxMACFrameSize (102 bytes)
Marco Naeve, Eaton Corp.
PRIMITIVAS
MAC
A camada MAC oferece uma interface entre a camada de Aplicação e a camada PHY
São oferecidos dois grupos de serviços:
MLME-SAP:
Serviços de Gerenciamento
PIB (PAN Information Base)
MCPS-SAP:
Serviços de Dados
Marco Naeve, Eaton Corp.
Edgard Jamhour
FUNCIONAMENTO DAS
PRIMITIVAS
wpan_: funções MAC
usr_: funções callback
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp.
PRIMITIVAS MAC
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp.
DATA TRANSFER
MESSAGE SEQUENCE DIAGRAM
Originator
MAC Recipient
MAC
Data frame
Acknowledgment (if requested)
Originator higher layer
Recipient higher layer
MCPS-DATA.request
MCPS-DATA.indication
MCPS-DATA.confirm
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp.
INDIRECT DATA TRANSFER
MESSAGE SEQUENCE DIAGRAM
Coordinator
MAC Device MAC
Data frame
Acknowledgment
Coordinator higher layer
Device higher layer
MCPS-DATA.request (indirect)
MCPS-DATA.indication
MCPS-DATA.confirm
Beacon frame
Data request
Acknowledgement
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp.
ASSOCIATION
MESSAGE SEQUENCE DIAGRAM
Device MAC
Coordinator MAC
Association request
Acknowledgment
Device higher layer
Coordinator higher layer
MLME-ASSOCIATE.request
MLME-ASSOCIATE.indication
MLME-ASSOCIATE.response
Acknowledgement
Association response
MLME-ASSOCIATE.confirm
aResponseWaitTime
MLME-COMM-STATUS.indication
Data request
Acknowledgment
Edgard Jamhour
05 2004 Marco Naeve, Eaton Corp. S
lid
e
26
DISASSOCIATION
MESSAGE SEQUENCE DIAGRAM
= Originator
MAC Recipient
MAC
Disassociation notification
Acknowledgment
Originator higher layer
Recipient higher layer
MLME-DISASSOCIATE.request
MLME-DISASSOCIATE.indication MLME-DISASSOCIATE.confirm
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp.
DATA POLLING
MESSAGE SEQUENCE CHART
Device MAC
Coordinator MAC
Data request
Acknowledgment (FP = 0)
Device higher layer
MLME-POLL.request
MLME-POLL.confirm
No data pending at the coordinator
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp. S
lid
e
28
DATA POLLING
MESSAGE SEQUENCE CHART
Device MAC
Coordinator MAC
Data request
Acknowledgment (FP = 1)
Device higher layer
MLME-POLL.request
MLME-POLL.confirm
Data
Acknowledgement
MCPS-DATA.indication
Data pending at the coordinator
Edgard Jamhour
PASSIVE SCAN
Marco Naeve, Eaton Corp. Sli
de
29
Device MAC
Coordinator MAC
Device higher layer
MLME-SCAN.request
MLME-SCAN.confirm
ScanDuration
Beacon
Set 1st Channel
Set 2nd
Channel
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp.
ACTIVE SCAN
Device MAC
Coordinator MAC
Beacon request
Device higher layer
MLME-SCAN.request
MLME-SCAN.confirm
ScanDuration Beacon
Set 1st Channel
CSMA
Set 2nd
Channel
Beacon request
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp. S
lid
e
31
ESPAÇAMENTO INTER-FRAME
For frames ≤ aMaxSIFSFrameSize use short inter-frame spacing (SIFS)
For frames > aMaxSIFSFrameSize use long inter-frame spacing (LIFS)
Long frame ACK Short frame ACK
tack
LIFS tack
SIFS
Acknowledged transmission
Long frame Short frame
LIFS SIFS
Unacknowledged transmission
aTurnaroundTime tack
(aTurnaroundTime (12 symbols) + aUnitBackoffPeriod (20 symbols))
LIFS > aMaxLIFSPeriod (40 symbols)
SIFS > aMacSIFSPeriod (12 symbols)
Edgard Jamhour Marco Naeve, Eaton Corp.
OPERAÇÃO CSMA
NÃO SLOTTED NB = 0,
BE = macMinBE
Delay for
random(2BE - 1) unit
backoff periods
Perform CCA
Channel idle?
NB = NB+1,
BE = min(BE+1, aMaxBE)
NB>
macMaxCSMABackoffs
?
Failure Success
Un-slotted CSMA
Y
Y
N
N
Usado em Redes sem
Beacon
Edgard Jamhour
Sli
de
33
OPERAÇÃO CSMA
MODO SLOTTED
NB = 0, CW = 0
Battery life
extension?
BE = macMinBE
BE = lesser of
(2, macMinBE)
Locate backoff
period boundary
Delay for
random(2BE - 1) unit
backoff periods
Perform CCA on
backoff period
boundary
Channel idle?
CW = 2, NB = NB+1,
BE = min(BE+1, aMaxBE)CW = CW - 1
CW = 0?NB>
macMaxCSMABackoffs
?
Failure Success
Slotted CSMA
Y
Y Y
Y
N
N
N
N
Modo Beacon
VERSÕS DA TECNOLOGIA
IEEE 802.15.4
VERSÃO DETALHES
IEEE 802.15.4 - 2003 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) com taxas de 20 e 40Kbit/s
IEEE 802.15.4 - 2006 Maiores taxas de transmissão em DSSS
Adição do modo PSS (Parallel Sequence Spread Spectrum)
IEEE 802.15.4a Adição do modo UWB (Direct Sequence Ultra-WideBand)
Adição do modo CSS (Chirp Spread Spectrum)
IEEE 802.15.4c ATUALIZAÇÃO DA PHYs e BANDA NA CHINA 779-787 MHz.
IEEE 802.15.4d ATUALIZAÇÃO DA PHYs e BANDA NO JAPÃO 950 - 956 MHz
IEEE 802.15.4e EXTENSÕES PARA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
IEEE 802.15.4f NOVAS PHYS PARA UWB, 2.4 e 433 MHz
IEEE 802.15.4g PHY PARA SERVIÇOS MUNICIPAIS UTILITÁRIOS (ELETRICIDADE, GAS e
AGUA)
INCLUIR MELHORIAS NA BANDA 902 - 928 MHz
WISUN ALLIANCE
WWW.WI-SUN.ORG
Especificação da FAN (Field Area Network) para Redes Utilitárias
Comparação de Tecnologias Wireless para IoT:
https://www.wi-sun.org/index.php/tcwp-en/file
MOTIVAÇÃO PARA
6LOWPAN
• Oferecer suporte a tecnologia IP para dispositivos de IoT
• Aplicações desenvolvidas sobre IP são independentes da
tecnologia de comunicação
• Adaptar o uso de IPv6 as tecnologias de rádio existentes
• IPv6: MTU mínimo de 1280 bytes
• Cabeçalho IPv6: 40 bytes
• Cabeçalho UDP: 8 bytes
• IEEE 802.15.4: MSDU 102 bytes
• 54 bytes por pacote (sem segurança)
• 33 bytes por pacote (com segurança)
6LOWPAN (RFC 4944)
• Camada de adaptação para transporte de pacotes IPv6 sobre
enlaces IEEE 802.15.4
• Usa IEEE 802.15.4 em modo CSMA/CA unslotted (sem beacom)
• Beacon apenas para descoberta de dispositivos
• Introduz a fragmentação e remontagem de pacotes IPv6
• Compressão dos cabeçalhos IPv6, UDP e ICMP
• Suporte ao roteamento MESH (mesh under)
Edgard Jamhour
6LOWPAN & IEEE 802.15.4
Chaiporn Jaikaeo
Edgard Jamhour
BYTE DISPATCH NO
CABEÇALHO 6LOWPAN
6LOWPAN DISPATCH
CODES
• 6LowPAn inclui um cabeçalho que indica como o pacote foi
encapsulado
• Diversos formatos são suportados:
COMPRESSÃO HC1
• A versão é sempre 6
• O Endereço IPv6 (HOST) pode ser inferido a partir do MAC
• O tamanho do pacote pode ser obtido do quadro
• Flow Label e Traffic Class são raramente usados (0)
• Next Header é quase sempre TCP, UDP ou ICMP
Cabeçalho IPv6
Edgard Jamhour
COMPRESSÃO HC1
COMPRESSÃO HC2
• Compressão de UDP de 8 para 3 bytes
• O tamanho pode ser deduzido pelo tamanho do quadro
• Restringir as portas a faixa: 61616-61631 (16 valores)
• Portas podem ser representadas por 4 bits
2 bytes 2 bytes
CABEÇALHO UDP
Edgard Jamhour
COMPRESSÃO H1+H2
Edgard Jamhour
PAYLOAD COM E SEM
COMPRESSÃO
Sem Compressão (código 01000001)
Com Compressão (código 01000010 = HC1)
Pode ser seguido de compressão HC2
Funciona apenas para
endereços Link-Local
IPHC: IMPROVED HC
• Compressão HC1 e HC2
são sem estado e
funcionam apenas para
endereços IPv6 do tipo
Link Local
• IPHC é uma forma de
compressão mais geral,
que operar em modo
com ou sem estado
• Os prefixos IPv6 são
removidos
QUADROS
FRAMENTADOS
1. Pacotes IPv6 maiores que o MTU são fragmentados
2. Introduz campo de offset para fragmentos
3. Tempo máximo de remontagem é 60 segundos
IMPLEMENTAÇÃO
6LOWPAN (STACK)
Edgard Jamhour
IMPLEMENTAÇÃO
6LOWPAN (GATEWAY)
RNDIS: Remote Network Driver Interface Specification
Edgard Jamhour
EXEMPLOS DE REDES
6LOWPAN
Chaiporn Jaikaeo
Gateway
6LowPan para IPv6
Edgard Jamhour
MESH UNDER VS ROUTER
RPL
Emula um
único domínio
de broadcast
na rede
6LowPan
Para camada
de rede, a
comunicação
na WPAN é
single hop
Edgard Jamhour
CABEÇALHO MESH UNDER
Hop Left é decrementado a cada salto
O quadro é descartando quando o valor
chega a zero
Edgard Jamhour
IEEE 802.15.5
Solução de Mesh-Under
para redes IEEE
802.15.4-006
IETF não especificou
protocolos Mesh-Under
para 6LowPan
RPL é o protocolo padrão
proposto pelo IETF para
Router-Over em redes
6LowPan
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